TD n°9 Sciences Appliquées BTS 2

Conversion d’une grandeur physique

Les Capteurs______________________________________________________________________________________2

Exercice 1. BTS Etk 2009 Métro : Mise en œuvre du capteur de débit (Solution.1)_________________________2

Exercice 2. Capteur de flux lumineux(Solution.2)____________________________________________________2

Exercice 3. Capteur optoélectronique ( Extrait BTS Assistant technique ingénieur 1997) (Solution.3)___________2

Exercice 4. Génération du signal d’un anémomètre optoélectronique (Extrait BTS CIRA 2005)( Solution.4)______3

Exercice 5. Capteur thermoélectrique (Solution.5)___________________________________________________3

Exercice 6. Capteur de température (diode)( Solution.6)______________________________________________4

Exercice 7. Mesure de la température du polymère dans le réacteur finisseur ( Extrait BTS CIRA 2007) (Solution.7) 4

Exercice 8. Capteur de viscosité (Solution.8)________________________________________________________6

Exercice 9. Capteur de force (Solution.9)__________________________________________________________6

Exercice 10. Mesure de la tension du papier sur une chaîne de fabrication d'enveloppes (extrait BTS M.A.I. 2002) (Solution.10)_______________________________________________________________________________7

Exercice 11.____________________________________________________Couplemètre ( Extrait BTS CIRA 2004)8

Exercice 12. Boucle de courant analogique 4-20 mA (Solution.12)_____________________________________10

Exercice 13. Convertisseur AN ( Extrait BTS CIRA 2005) (Solution.13)__________________________________10

Exercice 14. CNA (Solution.14)_________________________________________________________________10

Exercice 15. BTS 2002 Etk Nouméa (Solution.15)__________________________________________________11

Exercice 16. BTS 1999 Etk Nouméa Capteur de puissance réactive (Solution.16)_________________________11

Exercice 17. BTS 1997 Etk Nouméa Capteur de courant (Solution.17)_________________________________13

Exercice 18. BTS 1995 Etk Nouméa Filtrage du signal de la génératrice tachymétrique ( Solution.18)_________14

Solutions________________________________________________________________________________________15

Solution.1. Exercice 1 BTS Etk 2009 Métro : Mise en œuvre du capteur de débit (Solution.1)_____________15

Solution.2. Exercice 2 : Capteur de flux lumineux_________________________________________________15

Solution.3. Exercice 3 : Capteur optoélectronique ( Extrait BTS Assistant technique ingénieur 1997)________15

Solution.4. Exercice 4 : Génération du signal d’un anémomètre optoélectronique (Extrait BTS CIRA 2005)___16

Solution.5. Exercice 5 : Capteur thermoélectrique________________________________________________16

Solution.6. Exercice 6 : :Capteur de température (diode)__________________________________________16

Solution.7. Exercice 7 : Mesure de la température du polymère dans le réacteur finisseur ( Extrait BTS CIRA 2007)_______________________________________________________________________________________16

Solution.8. Exercice 8 : Capteur de viscosité_____________________________________________________16

Solution.9. Exercice 9 : Capteur de force_______________________________________________________17

Solution.10. Exercice 10 : Mesure de la tension du papier sur une chaîne de fabrication d'enveloppes (extrait BTS M.A.I. 2002)______________________________________________________________________________18

Solution.11. Exercice 11 : Couplemètre ( Extrait BTS CIRA 2004)___________________________________19

Solution.12. Exercice 12 : Boucle de courant analogique 4-20 mA___________________________________19

Solution.13. Exercice 13 : Convertisseur AN ( Extrait BTS CIRA 2005) (_______________________________19

Solution.14. Exercice 14 : CNA_______________________________________________________________19

Solution.15. Exercice 15 : BTS 2002 Etk Nouméa_________________________________________________19

Solution.16. Exercice 16 : BTS 1999 Etk Nouméa Capteur de puissance réactive_______________________20

Solution.17. Exercice 17 : BTS 1997 Etk Nouméa Capteur de courant________________________________20

Solution.18. Exercice 18 : BTS 1995 Etk Nouméa Filtrage du signal de la génératrice tachymétrique________20

Les Capteurs

1. BTS Etk 2009 Métro : Mise en œuvre du capteur de débit ( 1 )

La mesure du débit prévue (que l’on sait être comprise entre 4 et 10 m3/h) est confiée à un débitmètre électromagnétique Promag 50H Endress+Hauser (photo ci-contre).

Le constructeur du débitmètre donne les caractéristiques suivantes :

- grandeur de mesure : vitesse d'écoulement v

- gamme de mesure : v = 0,01 …10 m.s-1

- sortie courant : 4 - 20 mA ; résistance de charge < 700 .

Le capteur est inséré le long de la conduite PVC de refoulement, son orifice est de section égale à celle de la conduite, à savoir qu'il a un diamètre intérieur D = 50 mm.

Le débitmètre renvoie l'information "débit Q" sur une sortie 4 - 20 mA.

Cette information sera ensuite récupérée par une entrée analogique de l'automate après conversion en une tension VQ comprise entre 0 et 10 V, conformément à la figure 4.

Le convertisseur 4 - 20 mA / 0 - 10 V a une impédance d'entrée Ze = 500 .

C.1.1. Déterminer la plage de débit mesurable par l'appareil et justifier son choix.

C.1.2. Calculer la tension maximale fournie par la sortie 4 - 20 mA du débitmètre. Cette valeur est-elle compatible avec les spécifications du constructeur du débitmètre données ci-dessus ?

C.1.3. Calculer le facteur KD tel que VQ = KD.Q, sachant que le débitmètre peut renvoyer une valeur de Q au maximum égale à 70 m3.h-1. Préciser son unité.

2. Capteur de flux lumineux ( 2 ) Une photodiode, associée à un amplificateur opérationnel, constitue un capteur linéaire d'éclairement (l'éclairement E est le flux lumineux reçu par unité de surface ; il s'exprime en watts par mètre carré).

La diode utilisée dans le montage de la figure 7 est telle que i = kE (i en ampères) avec k = 5,0. 10-6 W/m2. Exprimer uS en fonction de E.

3. Capteur optoélectronique ( Extrait BTS Assistant technique ingénieur 1997) ( 3 ) Les résistances de polarisation du capteur opto électronique sont calclulées pour que son phototransistor fonctionne en bloqué saturé. A l’état saturé v1=0.

Le disque troué de p=4 trous tourne à la vitesse de 500 tr/min.

1. Expliquer le fonctionnement du capteur optoélectronique lorsque le transistor est éclairé et lorsque le phototransistor n’est pas éclairé

2. Calculer la fréquence f et la période T de la tension v1.

4. Génération du signal d’un anémomètre optoélectronique (Extrait BTS CIRA 2005) ( 4 ) Un anémomètre est un dispositif permettant de mesurer la vitesse du vent. Il est composé d’une étoile à 3 branches à godets et d’un photo - détecteur à occultation.

L’axe de rotation de l’étoile est solidaire d’un disque à 12 encoches placé entre un émetteur à infrarouge à DEL et un récepteur. Le phototransistor fonctionne en régime de commutation et on prendra VCE saturation = 0.

Génération du signal

1. Quelles sont les deux valeurs possibles de la tension u1 ? Justifier votre réponse en précisant l’état du transistor dans chacun des cas.

2. Quelle est la valeur de u1 lorsque le faisceau infrarouge est occulté ?

La vitesse de rotation n du disque en fonction de la vitesse du vent v est représentée en annexe.

3. L’équation qui relie v à n est n = kv. Calculer k et préciser son unité. La tension v 1(t) est représentée en fonction du temps sur 2 périodes en annexe.

4. Donner la valeur de la période T du signal u1(t) . Donner la relation entre la vitesse de rotation n et la période T.

5. Montrer que la vitesse du vent peut s’écrire sous la forme .

6. En déduire la vitesse du vent.

5. Capteur thermoélectrique ( 5 ) Un transducteur thermoélectrique est réalisé avec du fer et du constantan. Le couple fer-constantan fournit une tension e liée à la température de la jonction « chaude » dans l'intervalle : 0°C – 100°C par la relation :

(e en microvolts et en degrés Celsius).

Déterminer les valeurs de la f.é.m. e pour

Une soudure froide à f =20°C

Une soudure chaude :

o c1=0°C

o c2 = 20°C.

o c3 = 30°C.

o c4 = 80°C.

6. Capteur de température (diode) ( 6 ) La figure 6 représente le schéma (pratique) d'un capteur de température.

La tension aux bornes de la diode alimentée à courant constant est liée à la température par la relation v=V0-k.

Cette tension décroît de 2,0 mV par degré Celsius.

L'amplificateur de différence est réglé de telle manière que vS = 50 x u.

Le potentiomètre P est réglé pour que vS=0 si =0 °C.

1. Exprimer vS en fonction de .

2. Calculer vS si = 80 °C.

7. Mesure de la température du polymère dans le réacteur finisseur ( Extrait BTS CIRA 2007) ( 7 ) Cette température est portée à 180 °C (température masse) par un fluide caloporteur à 250 °C, de débit Q Cal, circulant dans une double enveloppe - voir ANNEXE 1.

1 - CHOIX DU CAPTEUR DE TEMPÉRATURE

Pour des raisons de qualité du produit fabriqué, on souhaite obtenir une précision de mesure de 0,8 °C à la température de 200 °C. L’objectif de cette étude est d’obtenir cette précision sur une étendue de mesure de 0 à 300 °C, tout en minimisant les coûts de maintenance. Toutes les mesures de température sont obtenues à l’aide de capteurs de type Pt 100 en montage 3 fils.

1-1 Rappeler le principe physique de mesure de température par un capteur à sonde résistive Pt 100, et indiquer le rôle du montage 3 fils.

1-2 À l’aide de l’ANNEXE 2, donner la classe du capteur devant être choisi pour répondre au cahier des charges. Justifier.

1-3 Compte tenu des impératifs économiques, on utilisera en fait un capteur de moindre précision. Donner l’erreur maximale de température à 200 °C si l’on utilise un capteur de classe B. En déduire la plage de valeurs limites qu’un régulateur affichera, pour une température réelle de 200 °C.

2 - PRINCIPE D’ABAISSEMENT DE RÉSISTANCE

Le principe consiste à placer une résistance de valeur élevée en parallèle sur le capteur, pour désensibiliser la dispersion de valeur, en cas de changement du capteur : ce dispositif permet de garantir l’interchangeabilité de tout capteur de la même classe. À l’aide d’un four d’étalonnage de grande précision, on mesure la valeur ohmique délivrée par le capteur choisi et, par une résistance de valeur adéquate placée en parallèle, on porte sa valeur fictive à la limite basse de sa précision.

2-1 La température du four est fixée à 200 °C. La résistance mesurée RT du capteur de classe B par un ohmmètre de grande précision est de 175,43 .

À l’aide de l’ANNEXE 3, déterminer la valeur de température correspondante T au 1/100 °C près, en utilisant la courbe de correspondance nominale.

2-2 À l’aide de l’ANNEXE 3, donner la valeur de résistance souhaitée RS afin de se placer à la valeur entière de limite basse de précision, soit 198 °C.

2-3 On place alors une résistance de correction RC en parallèle avec celle du capteur dans la « tête » de ce dernier afin d’abaisser sa valeur de résistance par la relation :

2-3-1 Calculer la valeur de la résistance RC (au centième d’Ohm près) afin d’obtenir la valeur de résistance souhaitée RS.

2-3-2 On utilisera une résistance de valeur normalisée précise RC = 120,00 k.

En déduire la valeur réelle de RS.

À l’aide de l’ANNEXE 3, déterminer la nouvelle valeur de température S correspondante.

Donner l’erreur absolue A de la température mesurée S par rapport à celle déterminée en 2-2.

3 - ÉTALONNAGE DU CONVERTISSEUR DE TEMPÉRATURE

On utilise un convertisseur TY1 de type Ohm/Courant 4–20 mA sur la ligne de mesure de température. Afin d’étalonner le convertisseur Ohm/Courant utilisé en montage 3 fils sur son entrée, on simulera le capteur Pt100 par une boîte de résistances à décades.

En laboratoire, les valeurs ohmiques mesurées de la résistance RM aux valeurs d’échelle de température 0 et 200 °C sont respectivement RM 0°C = 99,96 et RM 200 °C = 175,17 .

3-1 Représenter le câblage complet du matériel nécessaire à l’étalonnage sur l’ANNEXE 4

3-2 Tracer la courbe d’étalonnage obtenue sur l’ANNEXE 4. Compléter numériquement le graphe en abscisses et en ordonnées.

ANNEXE 2

Valeurs des tolérances pour éléments de 100 Ohms

Intervalle fondamental 38,5 ohms

ANNEXE 3

Relation entre résistance et température dans la plage de –200°C à 300°C pour élément sensible de thermomètre à

résistance de platine

ANNEXE 4

MONTAGE D’ÉTALONNAGE COURBE D’ÉTALONNAGE

8. Capteur de viscosité ( 8 ) On fabrique dans un réacteur chimique un produit dont la viscosité augmente au cours de la réaction. Afin d'obtenir une image de cette viscosité, on mesure le couple utile fourni par un moteur à courant continu à excitation séparée dont l'arbre est relié à un agitateur plongé dans le produit par l'intermédiaire d'un réducteur.

On obtient ainsi une tension UAB qui est l'image de la viscosité du produit, mais qui est perturbée par des parasites générés par le collecteur du MCC.

Elle est donc filtrée à l'aide du circuit RC, après avoir été isolée du reste du montage par un « étage tampon ».

1. Préciser sans justification le type et l'ordre du filtre et la constante de temps du circuit.

2. Montrer que la fonction de transfert peut se mettre sous la forme avec

3. Le collecteur possède 20 lames et tourne à 1200 tr.min-1.

a. Calculer la fréquence des parasites (considérés comme périodiques) générés par le collecteur.

b. Calculer la valeur de permettant d'obtenir une atténuation de 20 dB du fondamental de ces parasites.

c. Que peut-on dire de l'atténuation des harmoniques parasites de rang plus élevé ?

9. Capteur de force ( 9 ) Un capteur de force est constitué de 4 jauges de contrainte collées sur une pièce métallique appelée corps d'épreuve. Les jauges de contrainte sont des conducteurs ohmiques dont la résistance varie sous l'effet de la déformation qui apparaît lorsque le corps d'épreuve est soumis à la force F que l'on désire mesurer.

Pour augmenter la sensibilité du dispositif, les jauges sont montées en pont, appelé pont de Wheatstone (montage ci-dessous). En l'absence de forces, les 4 résistances sont identiques, de valeur nominale R0. En présence de forces, 2 jauges sont en extension et voient leur résistance augmenter: r1 = r4 = R0 + R. Les deux autres, en compression, voient leur résistance diminuer : r2 = r3 = R0 - R..

La variation R vérifie la relation

1. Exprimer UAM en fonction de E, R0 et R.

2. Exprimer UBM en fonction de E, R0 et R.

3. En déduire que

4. Montrer que la tension Us est proportionnelle à la force F.

5. Lorsque l'on soumet le corps d'épreuve à une force F0 = 1000 N, on mesure US0 = 440 mV. Exprimer k puis calculer sa valeur numérique (on précisera également son unité). Calculer R.

On donne :E= 10 V,A= 100, R0 =350

10. Mesure de la tension du papier sur une chaîne de fabrication d'enveloppes (extrait BTS M.A.I. 2002) ( 10 ) Une bande de papier doit être entraînée tout en conservant une tension de la bande constante. Cette grandeur est obtenue en mesurant la force exercée par le papier sur un cylindre en rotation.

Quatre jauges de contrainte ou d'extensiométrie se déforment sous l'action de cette force. Ces capteurs dont la résistance est notée respectivement R1, R2, R3 et R4 sont placés dans le schéma électrique de la figure suivante.

L'impédance d'entrée de l'amplificateur est suffisamment élevée pour que l'on puisse négliger les courants ie et i'e.

1. Le pont de résistances est équilibré

Lorsque aucun effort n'est exercé sur les jauges d'extensiométrie, la résistance de celles-ci est de 150 , donc R1=R2=R3=R4=R0= 150 .

Dans ce cas, calculer VR2 et VR4 puis en déduire la tension e.

2. Mesure d'une force

Lorsqu'un effort est exercé, la résistance des jauges varie proportionnellement à la force : R=k.F avec k=30.10-3 .N-1.

Les résistances deviennent : R1= R4 =R0 - R et R2 = R3 = R0 + R.

a) Déterminer l'expression de la tension vR2 en fonction de R1, R2 et E, puis en fonction de R0 et R.

b) Déterminer l'expression de la tension vR4 en fonction de R3, R4 et E, puis en fonction de R0 et R.

c) Montrer que la tension e est donnée par l'expression :

d) Calculer la tension e pour une force F de 20 N.

3. Capteur de force

L'amplificateur permet d'adapter la tension pour la rendre utilisable par l'amplificateur linéaire intégré. On obtient un appareil de mesurage dont la fonction de transfert liant la tension de sortie vF à la force (en N) est tracée ci-contre.

a) Déterminer la sensibilité s, en précisant l'unité, de l'appareil de mesurage sachant que

b) Pour une force de 20 N, on a mesuré une tension e de 20 mV. Déterminer l'amplification A de l'amplificateur, sachant que

11. Couplemètre ( Extrait BTS CIRA 2004) Le couplemètre est un capteur de couple à jauges extensométriques inséré sur l’arbre, entre le moteur et la charge à entraîner. Il est constitué d’un barreau cylindrique sur lequel sont collées quatre jauges métalliques identiques. Les paires de jauges J 1, J2 et J3, J4 sont diamétralement opposées (figure 2 page 5) de telle sorte qu’une torsion du barreau, proportionnelle au couple exercé sur l’arbre, entraîne une variation symétrique de leurs résistances respectives :

R1 = R4 = R + R et R2 = R3 = R - R.

R est la résistance au repos ; R est la variation de résistance proportionnelle au couple à mesurer Cu selon la relation = kCu.

Les quatre jauges sont interconnectées en pont de Wheatstone, lequel est alimenté en continu sous la tension E = 24 V (figure 3). On étudie le montage à vide.

1. Expression de la tension vA :

a) Déterminer l’expression de la tension vA en fonction de E, R3 et R4.

b) En déduire l’expression de vA en fonction de R, R et E.

2. Expression de la tension vB :

a) Déterminer l’expression de la tension vB en fonction de E, R1 et R2.

b) En déduire l’expression de vB en fonction de R, R et E.

3. Déterminer l’expression de la tension de déséquilibre du pont uAB en fonction de R, R et E.

4. La tension de déséquilibre s’écrit uAB = Cu ; donner l'expression de en fonction de k et E.

5. Lorsque le couplemètre mesure un couple Cu de 25 Nm, la variation de résistance des jauges est R = 0,35 . Sachant que R = 350 , calculer :

a) la valeur de la tension vA,

b) la valeur de la tension vB,

c) la valeur de la tension uAB,

d) la valeur du coefficient en précisant son unité.

PARTIE C : ÉTUDE DE L’AMPLIFICATION

La tension de déséquilibre uAB doit ensuite être amplifiée. Pour cela, on utilise un amplificateur d’instrumentation (figure 4 ).

1. Les résistances des entrées de l’amplificateur d’instrumentation sont de l’ordre de 10 G. Quel est l’intérêt d’avoir des résistances d’entrée aussi grandes ?

2. Pour la transmission de la tension de déséquilibre du pont uAB, on utilise un câble blindé constitué d’une paire de fils torsadés (figure 4 5). L’amplificateur d’instrumentation possède, en outre, une borne de garde Ga que l’on relie au blindage du câble (circuit de garde).

a) Pourquoi le câble est-il blindé ?

b) Pourquoi les deux fils sont-ils torsadés ?

c) Quel est l’intérêt de relier la borne de garde au blindage du câble ?

3. On rappelle que la tension de sortie d’un amplificateur d’instrumentation s’exprime par la relation suivante :

, où :

AD est l’amplification différentielle,

AMC est l’amplification de mode commun,

uD = vA – vB est la tension différentielle,

est la tension de mode commun.

Le taux de réjection de mode commun (TRMC) de l’amplificateur d’instrumentation est donné par la relation

.

a) Dans le cas présent, l’amplificateur d’instrumentation a une amplification différentielle AD = 200 et son taux de réjection de mode commun est de 130 dB.

1. Pour vA = 12,010 V et vB = 11,990 V, calculer la valeur de la tension de sortie de l’amplificateur vS.

2. En déduire l’erreur relative introduite par la tension de mode commun.

b) On suppose que l’amplificateur précédent est défectueux et qu’il est remplacé par un autre modèle dont le taux de réjection de mode commun est égal à 80 dB.

1. Calculer la nouvelle valeur vS2 de la tension de sortie de l’amplificateur (pour les valeurs précédentes de v A

et vB et pour AD = 200).

2. En déduire l’erreur relative introduite par la tension de mode commun.

c) Conclusion : expliquer pourquoi il est important, dans une chaîne de mesure, d’utiliser un amplificateur d’instrumentation dont le taux de réjection de mode commun est élevé.

4. Le schéma électrique de l’amplificateur d’instrumentation est donné à la figure 5. Les amplificateurs opérationnels, notés A1 A2 A3, sont supposés parfaits et fonctionnent en régime linéaire. La résistance RG est une résistance externe qui permet de régler l’amplification différentielle AD.

a) Déterminer l'expression de la tension de sortie de l’amplificateur d’instrumentation vs en fonction de v1 et v2.

b) Déterminer l'expression de vA - vB en fonction de RG et de l’intensité du courant qui traverse cette résistance.

Déterminer l'expression de v1 - v2 en fonction de R et RG et de l’intensité du courant qui traverse ces résistances.

En déduire l’expression de v1 - v2 en fonction de vA - vB, R et RG.

c) Montrer que la tension de sortie peut s’écrire .

d) Pour R = 25 k, calculer la valeur de la résistance RG qui permet d’obtenir une amplification différentielle AD = 200.

12. Boucle de courant analogique 4-20 mA ( 12 ) La boucle de courant 4-20 mA est un moyen de transmission permettant de transmettre sur une grande distance un signal analogique, généralement délivré par un capteur, sans perte ou modification de ce signal.

Sur de grandes distances, l'utilisation d'une simple variation de tension n'est pas assez fiable, car un changement dans la longueur et la résistance des fils a pour conséquence de modifier la valeur mesurée.

Pour le démontrer, prenons l'exemple d'un capteur délivrant une tension V comprise entre 0 V et 5 V à un récepteur consommant un courant d'intensité I = 100 mA. Les fils de liaison possèdent chacun une résistance linéique L_ = 10-3 .m-1 et ont chacun une longueur l = 100 m.

1 a) Exprimer, puis calculer numériquement la tension VR aux bornes du récepteur lorsque le capteur délivre la tension maximale (5 V).

1 b) Reprendre la même question pour une liaison de longueur double et conclure sur l'influence des fils de liaison.

2. Boucle de courant

La boucle 4-20 mA comprend un émetteur, l'alimentation de la boucle, les fils de la boucle et le récepteur.

L'émetteur est composé d'un capteur qui va mesurer les grandeurs physiques comme la température, la pression... et d'un convertisseur qui transforme la valeur mesurée par le capteur en un courant compris dans l'intervalle 4-20 mA. On a un courant de 4 mA pour la première valeur de l'échelle de mesure du capteur et de 20 mA pour la dernière mesure du capteur. Par exemple, si on utilise un capteur qui doit mesurer une température de -40 °C à 50 °C, 4 mA correspondra à -40 °C et 20 mA à 50 °C. Lorsqu'on lit 0 mA, cela signifie que la boucle ne fonctionne plus ou qu'il y a une rupture dans les liaisons.

a) Exprimer la tension VR lorsque la boucle de courant est parcourue par le courant I. Quelle est l'influence des résistances de la boucle sur cette tension ?

b) Sachant que R = 250 . calculer numériquement les valeurs maximale et minimale VRmin et VRmax, correspondant à la première et à la dernière valeur de l'échelle du capteur.

13. Convertisseur AN ( Extrait BTS CIRA 2005) ( 13 ) La masse d’une essoreuse est mesurée par un système de pesage analogique délivrant un signal 4-20 mA pour une masse variant de 0 à 4 095 Kg. La conversion est réalisée par un convertisseur 12 bits en code binaire naturel.

1. Donner la résolution (en masse) du convertisseur.

2. A quelle combinaison exprimée en binaire puis en hexadécimal correspond la masse 1 600 Kg ?

3. A quel courant correspond cette masse ?

14. CNA ( 14 ) Un nombre binaire se présente ainsi.

n 4 3 2 1 0 n éléments

an 0 1 0 1 0 =01010 (nombre binaire)

24 23 22 21 20

0+ 8+ 0+ 2+ 0 = 10 (nombre décimal)

MSB LSB

( a2, a1 ,a0 ) est la décomposition binaire d’un nombre décimal N .

Ecrire la relation entre N , a0 ,a1 et a2 .

a0 , a1 et a2 prennent la valeur 0 si l’interrupteur est relié à la masse et 1 si l’interrupteur est relié à Vcc .

1. Par la méthode de superposition retrouver .

2. Donner le nombre de points à pleine échelle

3. Quel est le nombre max

4. Quelle est la tension de pleine échelle.

5. Quelle est la résolution ou quantum

15. BTS 2002 Etk Nouméa ( 15 ) Afin d'adapter la vitesse de fonctionnement du moteur à la pression P du réseau de sortie, on mesure la pression à l'aide d'un capteur de pression PT monté sur le réseau de sortie d'eau. Le pressostat fournit ensuite une tension continue UPT, image de la pression P.

Le convertisseur analogique-numérique utilisé sera considéré comme ayant une résistance d'entrée infinie d'où i = 0. Pour le pressostat, UPT = kP avec k = 2,0 V.bar-1; la pression maximale à mesurer est de 10 bars.

On donne :

R2 = 1k et le curseur du potentiomètre est en position médiane.

R3 = 1k.

4.1 Calculer la valeur à donner à la résistance R 1 , sachant que la tension u0 appliquée à la carte contrôle du variateur doit être égale à 10V lorsque la pression à mesurer est maximale.

4.2 Le convertisseur analogique-numérique doit pouvoir convertir une tension u0 comprise entre 0 et U0max = 10V ; la tension u0 est codée sur n = 8 bits ; on définit la résolution r = U0max/2n. Calculer r et en déduire la plus petite valeur de la pression que l'on peut mesurer.

4.3 La pression P sur le réseau de sortie d'eau est fixée à 6 bars. Quel sera le mot binaire qui codera la tension u0 correspondante ?

16. BTS 1999 Etk Nouméa Capteur de puissance réactive ( 16 )

Le capteur de puissance réactive est représenté sur la figure 3. Il est constitué:

- d'un capteur de courant L1 tel que = (ip et is, sont les intensités instantanées des courants

primaire et secondaire).

- d'un capteur de courant L2 utilisé en capteur de tension, tel que

Les courants d'entrée du multiplieur sont négligeables, ainsi que les impédances d'entrée des capteurs de courant L1 et L2.

1. Capteur de courant

1.1. La résistance Ra , placée en parallèle sur la sortie du capteur de courant L1, permet d'obtenir en sortie v1 = 10 V lorsque l'intensité iR au primaire vaut 10 A. Calculer Ra.

1.2. Calculer le coefficient Ka, du capteur tel que v1 = Ka.iR

2. Capteur de tension

2.1. Calculer les résistances R1 et RV, du capteur de tension pour obtenir en sortie v2 = 10 V avec i’p= 10 mA, lorsque uST = 600V.

2.2. Le coefficient KV du capteur est tel que v2 = KV.uST. Vérifier que KV = 1,7 10 -2 .

3. Le multiplieur

vR , vS , et vT sont les tensions simples du réseau triphasé de pulsation = 100 rad.s-1 et de valeur efficace V = 220 V.

et ,

le multiplieur réalise : v3(t) = km x v1(t) x v2(t) avec km = 0,10 V-1

3.1. Représenter les vecteurs de Fresnel représentatifs de vR(t), vS(t) et vT(t). En déduire que

.

3.2. Exprimer littéralement la sortie v3(t) du multiplieur en fonction de iR(t) et uTS(t) t de Ka, KV, et km.

3.3. Montrer que v3(t) s'exprime sous la forme

v3(t) = V0 + v(t)

où V0 est une tension proportionnelle à la puissance réactive Q absorbée par la charge, et v(t) une tension sinusoïdale de pulsation 2

On rappelle que cosa.cosb = .(cos(a + b) + cos(a – b)).

4. Filtrage : on veut obtenir une tension vu, proportionnelle à la puissance réactive Q.

4.1. Quel type de filtre proposeriez-vous ?

4.2. Donnez un ordre de grandeur de la fréquence de coupure de ce filtre ?

17. BTS 1997 Etk Nouméa Capteur de courant ( 17 ) Pour assurer le fonctionnement de l’ensemble à la résonance, le module de commande

compare une image du courant dans le four à une image de la tension appliquée de façon à détecter d’éventuels déphasages et à ajuster la fréquence de la tension en fonction de ceux-ci.

L’image du courant est obtenue à l’aide d’un capteur « à compensation de courant », représenté schématiquement à la figure 3 ; une étude sommaire de ce capteur est proposée.

Sur un circuit magnétique en forme de tore sont bobinés n0 tours de fil, parcourus par un courant d’intensité i0. Le fil parcouru par le courant à mesurer traverse la partie évidée du tore, constituant ainsi une unique spire. Les courants i et i0, lorsqu’ils sont de même signe, créent des flux qui s’opposent.

L’ensemble obéit au Théorème d’Ampère que l’on utilisera sous la forme

Le circuit magnétique comporte un entrefer dans lequel est placé un capteur à effet Hall délivrant une tension v1 proportionnelle à la valeur b de l’intensité du champ magnétique dans lequel est plongé le capteur :

.

Cette tension est transformée en un courant i0 par un amplificateur de transconductance A, supposé parfait, et obéissant à la loi

.

1. Compte tenu de ce qui a été décrit précédemment, calculer la somme des ampères-tours (on comptera positivement les ampères-tours créés par i, et négativement ceux créés par i0).

2. Dans le cas où le fonctionnement est idéal, h est nul dans tout le circuit magnétique. Exprimer alors i0 en fonction de i et de n0.

3. La perméabilité relative du matériau constituant le tore étant très élevée, on admettra que seul le terme ( hl ) correspondant à l’entrefer est à prendre en considération. Etablir la relation entre h, la longueur e de l’entrefer, n0 et les intensités i et i0. En déduire la relation entre b, e, n0i, i0 et µ0 ( perméabilité magnétique du vide, de l’air, et de la sonde à effet Hall).

4. Exprimer v1 en fonction des grandeurs précédentes et de k. A partir de cette relation et de la caractéristique de l’amplificateur de transconductance, déterminer l’expression de i0 en fonction de i et des caractéristiques du montage.

5. On désire modéliser le capteur sous la forme classique représentée à la figure. 4.

5.1. Que vaut la variable r de l’extrémité de la chaîne de retour ? En déduire la valeur de la transmittance K1.

5.2. Déterminer H1

5.3. Déterminer la fonction de transfert T = i0/i de l’ensemble. Retrouver pour cette méthode l’expression de i0 en fonction de i.

5.4. A quelle condition cette fonction de transfert est-elle voisine de celle obtenue à la question 2 ci-dessus ?

fig 3fig 4

18. BTS 1995 Etk Nouméa Filtrage du signal de la génératrice tachymétrique ( 18 ) Une génératrice délivre une f.é.m. EG(t) ondulée ( figure 3). Lorsque le moteur tourne à 3000 tr/mn, le fondamental de l’ondulation a une fréquence de 200 Hz et une valeur crête à crête de 1 V. La valeur moyenne de la tension de la génératrice est alors de 9 V.

Figure 3

1.1. Donner l’expression de EG(t) en définissant les valeurs numériques de tous les paramètres, en admettant que EG(t) se compose uniquement de sa valeur moyenne et de son fondamental.

1.2. Pour filtrer la tension délivrée par la génératrice, on place à ses bornes un condensateur de capacité C (figure 4).

Figure 4

1.2.1. Soit E1 l’expression complexe du fondamental de l’ondulation.

La génératrice a une résistance interne R’ de 50 ; donner un modèle électrique équivalent à l’ensemble génératrice condensateur pour le fondamental de l’ondulation.

1.2.2. Calculer la transmittance du filtre UGT/ E1

1.2.3. Représenter la courbe de gain en coordonnées de Bode

1.2.4. On veut atténuer de 20 dB le fondamental de l’ondulation. Quelle valeur doit prendre le produit R’C ? En déduire la valeur de C nécessaire.

Solutions

1. 1 BTS Etk 2009 Métro : Mise en œuvre du capteur de débit (1)

C.1.1. Débit =

La plage de mesure s’étend de 0,07 à 70 m3/h donc on sera capable de mesurer des débits s’étalant de 4 à 10 m3/h

C.1.2. A 4 mA correspond un écoulement à v=0,01 m.s-1 soit un débit de 0,07 m3/h

Et a 10 mA correspond un écoulement à v=10 m.s-1 soit un débit de 70 m3/h

U=Rxi donc

4 mA -> 2 V

20 mA -> 10 V

Sur Ze = 500

C.1.3. VQ = KDQ

donc comme on sait que pour 70 m3/h on aura une tension de 10 V

Alors KD = 10/70 = 0,142 Vm-3h =KD

2. 2 : Capteur de flux lumineux Le montage a ampli op est bouclé sur l’entrée inverseuse donc il est linéaire et =V+-V-=0

donc

Donc

Donc

3. 3 : Capteur optoélectronique ( Extrait BTS Assistant technique ingénieur 1997)

4. 4 : Génération du signal d’un anémomètre optoélectronique (Extrait BTS CIRA 2005) 1. Et 2. Si la LED éclaire dans un trou, le phototransistor conduit, la tension VCE=0 donc u1 =U’=12

V

Si la LED éclaire sur un secteur occulté, le phototransistor ne conduit pas, pas de courant dans la résistance donc u1 =U’=0 V

2. Voir avant

3. n = k v donc le coefficient directeur de la droite

Donc (a)

4. Dans l’exemple la période de T est de 40 ms.

Pour un tour on a 12 encoches donc 12 périodes de u1(t)

n (tr/s) --> période (s)

Il faut 12 T pour faire un tour

Donc (b)

5. Et comme en reliant (a) et (b), alors donc

6. La vitesse du vent est donc

5. 5 : Capteur thermoélectrique

donc

La soudure froide étant à 20°C

o c1=0°C donc

o c2 = 20°C donc

o c3 = 30°C donc

o c4 = 80°C donc

6. 6 : Capteur de température (diode)

Si vS= 0 pour =0 alors

Pour que l’égalité soit vraie, il faut que VR=V0

Donc

Avec k=2mV/°C :

Donc pour 80°C :

7. 7 : Mesure de la température du polymère dans le réacteur finisseur ( Extrait BTS CIRA 2007) 8. 8 : Capteur de viscosité

1. On fait apparaître l’équation différentielle du système

C’est une équation différentielle du 1er ordre avec pour constante de temps

Sachant que l’impédance d’un condensateur est équivalent

à un court-circuit en haute fréquence

et circuit ouvert en basse fréquence

Le schéma du montage devient

En BF En HF

C : circuit ouvert

Pas de courant donc Ri=0

uS = UAB

C : court-circuit

US = 0

Le montage laisse donc passer les basses fréquences

2. En sinusoïdal, en appliquant le pont diviseur de tension

Donc soit

Si on procède à l’analogie avec la forme demandée on s’aperçoit que

donc que

3. Le collecteur possède 20 lames et tourne à 1200 tr.min-1.

a. La fréquence des parasites (générés par le collecteur est lié au passage sur chaque lame donc

.

b. Une atténuation de 20 dB. Cela veut dire que l’on considère le gain de la transmittance

L’expression exacte du gain

Le gain prend diverses formes suivant les valeurs de la fréquence

Si f tend vers 0 :

Si f tend vers : alors donc :

Valeur particulière f=fC :

Si on veut avoir -20 dB pour la fréquence de parasites (400 Hz) , il faut donc que la fréquence de coupure fC soit de 40 Hz

c. Au-delà les parasites sont encore plus atténués

9. 9 : Capteur de force 1. Pour trouver UAM on se sert des classiques loi des mailles, loi des nœuds et loi d’Ohm ou plus

rapidement du pont diviseur de tension.

Loi des mailles : (1)

Loi des nœuds : (2)

Loi d’Ohm : et (3)

Donc (1) devient soit donc

Donc (3) devient ce que l’on aurait pu établir directement en sachant appliquer le

pont diviseur de tension

En remplaçant r1 par r1 = R0 + R et r2 par r2 = R0 - R

Donc

2. On trouve UBM de la même manière :

En remplaçant r3 par r3 = R0 - R et r2 par r4 = R0 + R

Donc

3. On trouve UBM de la même manière :

Donc

Soit

soit donc

Donc

4. Donc

Et comme

Donc la tension US est proportionnelle à la force F :

5. Comme alors

donc

On retrouve le fait que la variation de résistance induite par la force est très faible

10. 10 : Mesure de la tension du papier sur une chaîne de fabrication d'enveloppes (extrait BTS M.A.I. 2002) 1. Le pont de résistances est équilibré

Pont diviseur de tension

et

Donc grâce à la loi des mailles

2. Mesure d’une force

a) donc

b) donc

c) Donc

Donc

d)

3. Capteur de force

a) c’est la variation de la tension vF par rapport à la variation de la force donc en Volt/ Newton :

b)

11. 11 : Couplemètre ( Extrait BTS CIRA 2004)

12. 12 : Boucle de courant analogique 4-20 mA

13. 13 : Convertisseur AN ( Extrait BTS CIRA 2005) (

1. Le quantum est de

La résolution de mesure liée au CAN est de 1 kg (chaque kg supplémentaire augmente mon mot binaire)

2. 1600 kg

14. 14 : CNA 1. Méthode de superposition consiste à prendre en compte la somme des tensions générées par

chaque source, les autres étant annulées (source de tension = court-circuit, source de courant = circuit ouvert).

Si a0 connecté à VCC (les autres étant à la masse) :

Si a1 connecté à VCC (les autres étant à la masse) :

Si a2 connecté à VCC (les autres étant à la masse) :

2. Nombre de points à pleine échelle : 2n+1-1

3. Nombre max : 111 si on a trois bits

4. Tension pleine échelle :

5. Quantum :

15. 15 : BTS 2002 Etk Nouméa 4.1. Si la pression est maximale : UPTmax = k Pmax =2x10 = 20 V

Vu rapidement on peut dire que la tension u0 étant la moitié de UPT il faut que la somme des résistance soit le double des résistances vue par u0 donc il faut que R1=R3.

Si l’on veut écrire d’avantage ce raisonnement cela donne :

Comme on veut que U0 soit dans ce cas de 10V, il faut que le pont diviseur de tension respecte cette condition.

La tension du pont est telle que donc

soit donc R1=R3=1k

4.2. r=10/28=0,039V plus petite tension détectable comme UPT=2xuO=kP donc u0=P

Donc Pmin= 0,039 bar

4.3. 6 bars -> 6V ->

27 26 25 24 23 22 21 20

128 64 32 16 8 4 2 1

1 0 0 1 1 0 1 0

n = 154 = 128+16+8+2

N=10011010

16. 16 : BTS 1999 Etk Nouméa Capteur de puissance réactive 1. Capteur de courant

1.1. Comme le courant absorbé par le multiplieur est nul : donc

1.2. Le courant iR alimente le transformateur de courant donc iR=iP

et donc donc

2. Capteur de tension

1.1. Le courant i’P=10 mA et et v2=10 V

On sait que donc

Si i’P=10 mA alors

Ce courant traverse intégralement RV (les courants d’entrée des multiplieurs sont négligeables)

Donc donc

1.2. Le coefficient KV du capteur est tel

Or

3. Multiplieur

Le rapport entre V et U est

Donc

Soit

Donc

Soit

On a bien V0 proportionnel à VI sin donc à la puissance réactive Q

4. Filtrage : on veut obtenir une tension vu, proportionnelle à la puissance réactive Q.

Afin de supprimer la tension de pulsation 2 (hautes fréquences) et de garder V0 (basse fréquence), un filtre passe bas est nécessaire.

La fréquence de coupure doit être très inférieure à la fréquence à couper 2x= 100 Hz soit une fréquence de coupure de 10 Hz

17. 17 : BTS 1997 Etk Nouméa Capteur de courant

1.

2. Fonctionnement idéal donc

3. Fonctionnement réel :

Donc

On sait que d’une façon générale et dans l’air

On est dans l’air donc devient ou

4. donc

Et en utilisant le fait que

On obtient

Donc

(*)

5. La variable r fait apparaître une relation entre i et i0

5.1. D’après la figure 4

Précédemment (cf (*)) on a trouvé que

Par comparaison

on détermine que et donc

5.3. La transmittance permettant de passer de i à i0 est telle que

On sait qu’une telle transmittance est du type

Ce que l’on peut redémontrer

5.4. en question 2

On a trouvé donc il faut que

soit avec et

Donc comme on veut que il faut que soit tel que

Si on prend H1 suffisamment grand pour que ainsi on peut négliger le 1 devant

Ainsi

18. 18 : BTS 1995 Etk Nouméa Filtrage du signal de la génératrice tachymétrique